結構生物化學/酶/限速步驟
酶可以幫助反應並透過降低反應所需的活化能來提高產物的生成速度。從根本上說,酶仍然只是在化學方程式中催化反應的機制。因此,酶反應也具有這些逐步機制反應的基本要素,當然也包括限速步驟或速率決定步驟。
很容易正確地假設機制的每一步都不會以相同的速度進行,因此限速步驟僅僅是機制中反應速度最慢的那一步反應。在黑色星期五的精神下,一個有趣的現實生活類比是:假設一個完整的反應是所有購物者在百思買完成購物所需的時間,那麼限速步驟將是購物者中最猶豫不決併購買最多東西的人。如果要檢視整個反應的反應座標圖,限速步驟通常是具有最高活化能峰值或最高能量過渡態的那一步。
特別地,根據酶的米氏動力學,限速步驟通常是產物形成步驟。
例如:反應 NO2(g) + CO(g) → NO(g) + CO2(g) 分為兩個基本步驟
1. NO2 + NO2 → NO + NO3(慢步驟)
2. NO3 + CO → NO2 + CO2(快步驟)
由於第二步消耗了在緩慢的第一步中產生的 NO3,因此它受到第一步速率的限制。出於這個原因,速率決定步驟反映在速率方程中。另一個類似於限速步驟的簡單情況是一個四口之家準備出門。無論其他人多快,因為這個家庭必須等待每個人,最慢的人將決定其他人能多快離開家。
速率決定步驟的概念對於許多化學過程(如催化和燃燒)的最佳化和理解非常重要。此外,它可能有助於確定該機制是否適用於該反應。這是因為限速步驟的速率定律應該等於反應的速率定律。如果不是這樣,那麼要麼實驗速率定律測定錯誤,要麼提出的機制是錯誤的。
限速步驟的作用也應用於酒精在人體中的研究。人體會自然地將酒精(乙醇是飲料中所含的酒精)轉化為乙醛,然後轉化為乙酸鹽。一旦成為乙酸鹽,人體就可以透過廢物自然地排出乙酸鹽。這是一個兩步過程,即
酒精 --> 乙醛(非常快)乙醛 --> 乙酸鹽(非常慢,限速步驟)
由於酒精被迅速轉化為乙醛,所以飲用過多酒精會導致乙醛進入血液。乙醛的積累速度會遠快於其轉化為乙酸鹽的速度。一旦乙醛進入血液,生理效應就開始顯現。最終,乙醛被轉化為乙酸鹽,這些效應消失。在這種情況下,限速步驟是乙醛轉化為乙酸鹽,因為它速度要慢得多,導致乙醛在血液中積累。